DOI: https://doi.org/10.1007/s00604-026-07976-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41803510
تاريخ النشر: 2026-03-10
المؤلف: Purshottam J. Assudani وآخرون
الموضوع الرئيسي: المستشعرات الحيوية والكشف التحليلي
نظرة عامة
تسلط المراجعة الضوء على التهديد المستمر للصحة العامة الذي تسببه مسببات الأمراض المنقولة بالغذاء مثل *Escherichia coli* و*Salmonella* و*Listeria monocytogenes*، مشددة على الحاجة الملحة لطرق الكشف السريعة والدقيقة. تناقش المنصات البيولوجية المتقدمة التي تستخدم طرق كهربائية وكيميائية وبصرية وميكروفلويدية، المعززة بالابتكارات الأخيرة في المواد النانوية الوظيفية، وعناصر التعرف الجزيئي (مثل الأبتاميرات والنانوزيمات)، وهندسة السطح. لقد حسنت هذه التطورات بشكل كبير من حساسية المستشعر، والخصوصية، والقدرة على التكيف مع مصفوفات الغذاء المعقدة. علاوة على ذلك، حول دمج الذكاء الاصطناعي (AI) وتعلم الآلة (ML) أنظمة الكشف التقليدية إلى أجهزة تشخيص ذكية قادرة على التحليلات في الوقت الحقيقي والتعدد العالي.
تتناول المراجعة أيضًا التحديات الحرجة في تطوير المستشعرات الحيوية، بما في ذلك تداخل المصفوفة، وعدم استقرار عناصر التعرف الحيوي، وقيود القابلية للتوسع، والحاجة إلى توحيد المعايير التنظيمية. تقترح استراتيجيات تخفيف متنوعة، مثل الكشف النسبي والذكاء الاصطناعي القابل للتفسير، لتعزيز أداء المستشعرات الحيوية. يتطلع المؤلفون إلى تطور منصات الكشف الحيوي نحو أنظمة متكاملة وقابلة للتشغيل البيني وقابلة للتوسع، بما في ذلك المستشعرات الحيوية ذاتية الطاقة والألواح النمطية لمسببات الأمراض، لتسهيل المراقبة الفعالة لمسببات الأمراض في الموقع والتحذير من أحداث التلوث. تؤكد هذه التحليل الشامل على إمكانيات تقنيات الكشف الحيوي المبتكرة لتعزيز مراقبة سلامة الغذاء والامتثال التنظيمي.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التحدي الكبير الذي يواجه الصحة العامة العالمية بسبب الأمراض المنقولة بالغذاء الناتجة عن مسببات الأمراض البكتيرية، وخاصة *Escherichia coli* و*Salmonella* و*Listeria monocytogenes*. مع أكثر من 600 مليون حالة مرض وآلاف الوفيات سنويًا بسبب الطعام الملوث، يتم التأكيد على الحاجة الملحة لطرق الكشف الفعالة، خاصة بالنظر إلى ضعف الفئات السكانية عالية المخاطر مثل الرضع والنساء الحوامل وكبار السن والأفراد ذوي المناعة الضعيفة. تواجه طرق الكشف التقليدية، بما في ذلك التقنيات المعتمدة على الثقافة والنهج الجزيئي مثل PCR، قيودًا من حيث الخصوصية، واستهلاك الوقت، وتعقيد العمليات، خاصة في البيئات ذات الموارد المحدودة. وهذا يستدعي تطوير تقنيات الكشف الحيوي المبتكرة التي تقدم قدرات كشف سريعة وحساسة وسهلة الاستخدام عبر مصفوفات الغذاء المتنوعة ومراحل سلسلة التوريد.
تدعو الورقة إلى دمج علوم المواد المتقدمة وتكنولوجيا النانو في منصات الكشف الحيوي، والتي يمكن أن تعزز حدود الكشف وتمكن من قدرات التعدد. تؤكد على إمكانيات المستشعرات الحيوية، التي تجمع بين عناصر التعرف البيولوجية مع تقنيات المحولات المختلفة، لتوفير خصوصية عالية وأوقات استجابة سريعة. علاوة على ذلك، تهدف المراجعة إلى تقديم تركيب شامل للمجال، متجاوزة التحليلات الخاصة بمسببات الأمراض أو التي تركز على التكنولوجيا إلى إطار شامل يشمل مبادئ الكشف الحيوي المختلفة، والابتكارات المادية، واستراتيجيات النشر في العالم الحقيقي. تم تصميم هذا الإطار لتسهيل الانتقال من تدابير سلامة الغذاء التفاعلية إلى الذكاء التنبؤي، مع دمج التقنيات الناشئة مثل الذكاء الاصطناعي وإنترنت الأشياء وبلوك تشين لتحسين المراقبة وقابلية التتبع. تم هيكلة المراجعة لتوجيه القراء من خلال السياق البيولوجي لمسببات الأمراض الرئيسية، ومبادئ الكشف الحيوي الأساسية، واعتبارات النشر العملية، مما يساهم في إنشاء إطار تحليلي موحد لتقييم استراتيجيات الكشف الحيوي.
طرق
تناقش هذه القسم التقدم في منصات الكشف الحيوي التي تهدف إلى الكشف عن مسببات الأمراض المنقولة بالغذاء، مشددة على الدور الحاسم للمواد الناشئة والعناصر الوظيفية. تعزز هذه الابتكارات من حساسية واستقرار وخصوصية وقدرة المستشعرات على التكيف، وهي ضرورية لمراقبة سلامة الغذاء بشكل فعال عبر سلسلة التوريد الغذائية. أدت التطورات الأخيرة في تكنولوجيا النانو، والبوليمرات الذكية، وعلم الأحياء الاصطناعي، ومحاكيات الإنزيمات إلى إنشاء منصات كشف حيوية عالية الاستجابة ومتعددة الوظائف يمكن أن تعمل بفعالية في مصفوفات الغذاء المعقدة.
على الرغم من هذه التقدمات، لا تزال التحديات قائمة، مثل تداخل مكونات الغذاء (مثل الدهون والأملاح والبوليفينولات) التي يمكن أن تعيق كفاءة التضخيم وتقلل من حساسية الفحوصات المعتمدة على CRISPR. علاوة على ذلك، فإن العديد من الفحوصات الحالية تعتمد على العتبات بدلاً من أن تكون كمية بالكامل، مما يعقد تقدير الحمل الممرض بدقة. كما أن القضايا المتعلقة باستقرار الإنزيم، وترابط التضخيم، والمعالجة المسبقة تشكل عقبات أمام التوحيد والتحقق التنظيمي عبر المختبرات. سيكون من الضروري معالجة هذه التحديات من خلال تطوير كيميائيات مقاومة للمصفوفة، واستراتيجيات تطبيع الإشارة، والمعالجة المسبقة المدمجة لتطبيق هذه التقنيات بشكل عملي. بشكل عام، تحمل تقنيات المستقبلات المهندسة حيويًا، وخاصة الأنظمة المعتمدة على CRISPR، وعدًا في إحداث ثورة في الكشف الحيوي من خلال الجمع بين الدقة الجزيئية مع تشخيصات سلامة الغذاء العملية.
نقاش
تسلط المناقشة الضوء على التهديد الكبير للصحة العامة الذي تسببه مسببات الأمراض المنقولة بالغذاء، وخاصة السلالات الممرضة من *Escherichia coli* (E. coli) مثل O157:H7 و*Salmonella spp.*، التي تتسبب في ملايين الإصابات وآلاف الوفيات سنويًا. يمكن أن تسبب E. coli O157:H7، التي تنتقل غالبًا من خلال اللحوم غير المطبوخة جيدًا والمنتجات الملوثة، أمراضًا معوية شديدة ومضاعفات مثل متلازمة انحلال الدم اليوريمي، مع إمكانية حدوث العدوى عند جرعات منخفضة جدًا (10-100 CFU). من ناحية أخرى، تعتبر *Salmonella* شائعة في مجموعة متنوعة من المنتجات الغذائية ويمكن أن تعيش في ظروف جافة، مما يستلزم وجود طرق كشف سريعة لمنع تفشي واسع النطاق. تؤكد الورقة على الحاجة إلى فهم شامل لطرق التلوث من المزرعة إلى المائدة، حيث يمكن إدخال مسببات الأمراض في نقاط متعددة، بما في ذلك مراحل ما قبل الحصاد، والمعالجة، والتجزئة.
يدعو المؤلفون إلى تطوير تقنيات الكشف الحيوي المتقدمة القادرة على الكشف عن مسببات الأمراض عبر بيئات ومراحل متنوعة من سلسلة التوريد الغذائية. يجب أن تكون هذه المستشعرات الحيوية قابلة للتكيف مع طرق التلوث المختلفة ومصفوفات الغذاء، باستخدام مواد مبتكرة مثل المواد النانوية، والبوليمرات الذكية، والمستقبلات المهندسة حيويًا لتعزيز الحساسية والخصوصية. إن دمج هذه التقنيات في أنظمة مراقبة سلامة الغذاء أمر بالغ الأهمية للكشف في الوقت الحقيقي وتخفيف المخاطر، بهدف تحسين نتائج الصحة العامة ومعايير سلامة الغذاء.
DOI: https://doi.org/10.1007/s00604-026-07976-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41803510
Publication Date: 2026-03-10
Author(s): Purshottam J. Assudani et al.
Primary Topic: Biosensors and Analytical Detection
Overview
The review highlights the ongoing public health threat posed by foodborne pathogens such as *Escherichia coli*, *Salmonella*, and *Listeria monocytogenes*, emphasizing the urgent need for rapid and accurate detection methods. It discusses advanced biosensing platforms that utilize electrochemical, optical, and microfluidic modalities, enhanced by recent innovations in functional nanomaterials, molecular recognition elements (like aptamers and nanozymes), and surface engineering. These advancements have significantly improved sensor sensitivity, specificity, and adaptability to complex food matrices. Furthermore, the integration of artificial intelligence (AI) and machine learning (ML) has transformed traditional detection systems into intelligent diagnostic devices capable of real-time analytics and high-throughput multiplexing.
The review also addresses critical challenges in biosensor development, including matrix interference, instability of biorecognition elements, scalability limitations, and the need for regulatory standardization. It proposes various mitigation strategies, such as ratiometric sensing and explainable AI, to enhance biosensor performance. Looking ahead, the authors advocate for the evolution of biosensing platforms towards integrated, interoperable, and scalable systems, including self-powered biosensors and modular pathogen panels, to facilitate effective on-site pathogen surveillance and contamination event forewarning. This comprehensive analysis underscores the potential of innovative biosensing technologies to advance food safety monitoring and regulatory compliance.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant global public health challenge posed by foodborne illnesses caused by bacterial pathogens, particularly Escherichia coli, Salmonella, and Listeria monocytogenes. With over 600 million cases of illness and thousands of deaths annually attributed to contaminated food, the urgency for effective detection methods is underscored, especially given the vulnerabilities of high-risk populations such as infants, pregnant women, the elderly, and immunocompromised individuals. Traditional detection methods, including culture-based techniques and molecular approaches like PCR, face limitations in terms of specificity, time consumption, and operational complexity, particularly in resource-limited settings. This necessitates the development of innovative biosensing technologies that offer rapid, sensitive, and user-friendly detection capabilities across diverse food matrices and supply chain stages.
The paper advocates for the integration of advanced materials science and nanotechnology into biosensing platforms, which can enhance detection limits and enable multiplexing capabilities. It emphasizes the potential of biosensors, which combine biological recognition elements with various transducer technologies, to provide high specificity and rapid response times. Furthermore, the review aims to present a comprehensive synthesis of the field, moving beyond pathogen-specific or technology-focused analyses to a holistic framework that encompasses various biosensing principles, material innovations, and real-world deployment strategies. This framework is designed to facilitate the transition from reactive food safety measures to predictive intelligence, incorporating emerging technologies such as AI, IoT, and blockchain for improved monitoring and traceability. The review is structured to guide readers through the biological context of key pathogens, core biosensing principles, and practical deployment considerations, ultimately establishing a unified analytical framework for evaluating biosensing strategies.
Methods
The section discusses the advancements in biosensing platforms aimed at detecting foodborne pathogens, emphasizing the critical role of emerging materials and functional elements. These innovations enhance the sensitivity, stability, specificity, and adaptability of sensors, which are essential for effective food safety monitoring throughout the food supply chain. Recent developments in nanotechnology, smart polymers, synthetic biology, and enzyme mimics have led to the creation of highly responsive and multifunctional biosensing platforms that can operate effectively in complex food matrices.
Despite these advancements, challenges remain, such as the interference of food components (e.g., lipids, salts, and polyphenols) that can hinder amplification efficiency and reduce the sensitivity of CRISPR-based assays. Furthermore, many existing assays are threshold-based rather than fully quantitative, complicating accurate pathogen load estimation. Issues related to enzyme stability, amplification coupling, and preprocessing also pose obstacles to standardization and regulatory validation across laboratories. Addressing these challenges through the development of matrix-tolerant chemistries, signal-normalization strategies, and integrated microfluidic pretreatment will be crucial for the practical application of these technologies. Overall, bioengineered receptor technologies, particularly CRISPR-enabled systems, hold promise for revolutionizing biosensing by combining molecular precision with practical food safety diagnostics.
Discussion
The discussion highlights the significant public health threat posed by foodborne pathogens, particularly pathogenic strains of *Escherichia coli* (E. coli) such as O157:H7 and *Salmonella spp.*, which are responsible for millions of infections and thousands of deaths annually. E. coli O157:H7, often transmitted through undercooked meat and contaminated produce, can cause severe gastrointestinal diseases and complications like hemolytic uremic syndrome, with infections possible at very low doses (10-100 CFU). *Salmonella*, on the other hand, is prevalent in a variety of food products and can survive in dry conditions, necessitating rapid detection methods to prevent large-scale outbreaks. The paper emphasizes the need for a comprehensive understanding of contamination routes from farm to fork, as pathogens can be introduced at multiple points, including pre-harvest, processing, and retail stages.
The authors advocate for the development of advanced biosensing technologies capable of detecting pathogens across diverse environments and stages of the food supply chain. These biosensors should be adaptable to various contamination routes and food matrices, employing innovative materials such as nanomaterials, smart polymers, and bioengineered receptors to enhance sensitivity and specificity. The integration of these technologies into food safety monitoring systems is crucial for real-time detection and risk mitigation, ultimately aiming to improve public health outcomes and food safety standards.